徐銘洲，丁凱，李奇林，王許，劉盛

江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

碳化硅陶瓷材料具有高硬度、高強(qiáng)度及耐腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件、國(guó)防軍工及航空航天等領(lǐng)域[1，2]。目前常采用金剛石砂輪對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行磨削加工，但由于材料的硬脆特性，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的磨削力大，導(dǎo)致工件表面和亞表面的損傷較大，磨削表面質(zhì)量差，同時(shí)砂輪也會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，造成生產(chǎn)效率低[3-5]。

超聲輔助磨削是指在傳統(tǒng)磨削的基礎(chǔ)上對(duì)工具或工件施加超聲振動(dòng)的一種加工方式[6]。劉立飛等[7]采用金剛石砂輪對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了普通磨削和超聲輔助磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明，與普通磨削相比，超聲輔助磨削的材料破碎斷裂情況得到改善，亞表面裂紋數(shù)量有較大幅度降低。Ding Kai等[8]采用燒結(jié)金剛石砂輪對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了普通磨削和超聲磨削試驗(yàn)，與普通磨削相比，超聲磨削的磨削力和表面粗糙度均有不同程度的降低。Li Chen等[9]采用金屬結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削和普通磨削試驗(yàn)，與普通磨削相比，超聲振動(dòng)有利于提高表面質(zhì)量和減小亞表面損傷深度。Zheng Feifei等[10]采用金剛石壓頭對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷進(jìn)行了超聲輔助劃擦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與普通劃擦相比，引入超聲振動(dòng)可使劃擦力明顯減小，材料去除效率更高。

工具特性是影響磨削加工性能的一個(gè)重要因素。楊海成等[11]采用兩種結(jié)合劑的金剛石砂輪對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行了磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)于金屬結(jié)合劑砂輪。高尚等[12]采用四種粒度的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)石英玻璃進(jìn)行了磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著砂輪粒度的減小，石英玻璃磨削表面缺陷逐漸減少，表面粗糙度及亞表面損傷深度也逐漸減小。目前對(duì)于超聲振動(dòng)方式下不同類(lèi)型工具的磨削性能研究較少，因此，本文采用電鍍和釬焊兩種方法制備的金剛石磨頭對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了超聲輔助磨削試驗(yàn)，結(jié)合磨削力、工件表面形貌、工件表面粗糙度和磨頭表面磨粒的出露特征，研究了不同的磨頭制備工藝及磨粒粒徑對(duì)超聲輔助磨削性能的影響。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

在VMC850B型立式加工中心上進(jìn)行超聲輔助磨削試驗(yàn)，最大主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min。試驗(yàn)采用由南京航空航天大學(xué)研制的超聲振動(dòng)裝置，該裝置主要由超聲波發(fā)生器、原邊組件和超聲刀柄三部分構(gòu)成，原邊組件固定在機(jī)床主軸上，通過(guò)信號(hào)傳輸線與超聲波發(fā)生器相連。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，磨頭通過(guò)彈簧夾頭與螺帽安裝在超聲刀柄上，采用石蠟將試樣粘結(jié)在底塊上，再將底塊固定在專(zhuān)用夾具上，夾具通過(guò)螺釘與測(cè)力儀相連。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為碳化硅陶瓷，試樣尺寸為50mm×10mm×6mm。其中磨削表面為50mm×6mm的平面，超聲振動(dòng)方向與磨削表面平行。磨削用冷卻液為5%水基乳化液(Castrol 9954)，超聲輔助磨削的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)所用金剛石磨頭如圖2所示，采用電鍍和釬焊兩種工藝制備，磨粒粒徑有150μm和75μm兩種。其基體材料均為304不銹鋼，總長(zhǎng)度為50mm，磨頭工作端直徑為φ8mm，長(zhǎng)度為10mm。試驗(yàn)前，采用三維視頻顯微鏡在相同倍數(shù)條件下觀察不同金剛石磨頭表面地貌特征，并對(duì)磨粒的出露高度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖2 金剛石磨頭

(a)粒徑150 μm的電鍍磨頭

可以看出，粒徑為150μm的電鍍磨頭表面磨粒出露高度范圍為53.198～119.258μm；粒徑為150μm的釬焊磨頭表面磨粒出露高度范圍為108.053～133.305μm；粒徑為75μm的電鍍磨頭表面磨粒出露高度范圍為48.183～80.27μm；粒徑為75μm的釬焊磨頭表面磨粒出露高度范圍為63.6～79.451μm。

2.3 測(cè)量方法

采用Kistler 9129AA測(cè)力儀及電荷放大器對(duì)磨削力進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)HRsoft_DW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。采用ZEISS Sigma 500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試樣加工表面形貌進(jìn)行觀察分析。采用Hirox RH-2000三維視頻顯微鏡中的3D測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量已加工試樣表面的粗糙度值和磨頭表面磨粒的出露高度，其中表面粗糙度的測(cè)量方向垂直于磨削進(jìn)給方向，取五次測(cè)量平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 磨削力

圖4為不同磨頭超聲輔助磨削時(shí)磨削力隨主軸轉(zhuǎn)速增大的變化規(guī)律?？梢钥闯觯S著主軸轉(zhuǎn)速的增加，四種磨頭超聲輔助磨削的法向和切向磨削力均呈下降趨勢(shì)。在相同的磨粒粒徑和磨削用量條件下，使用釬焊金剛石磨頭超聲輔助磨削時(shí)的法向和切向磨削力均低于使用電鍍金剛石磨頭；在相同的磨頭制備工藝和磨削用量條件下，使用粒徑為75μm的金剛石磨頭超聲輔助磨削時(shí)的法向和切向磨削力均高于使用粒徑為150μm的金剛石磨頭。

3.2 磨削表面形貌

圖5為主軸轉(zhuǎn)速n=7000r/min，進(jìn)給速度vw=200mm/min，磨削深度ap=5μm的條件下不同磨頭超聲輔助磨削后的表面形貌?？梢钥闯?，粒徑為150μm的電鍍磨頭超聲輔助磨削后，工件表面破碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重，存在明顯的凹坑、磨痕和溝槽，表面高低起伏較大；而粒徑為150μm的釬焊磨頭超聲輔助磨削后，工件表面破碎現(xiàn)象有明顯的改善，只存在一些細(xì)小的凹坑，表面較為平整；粒徑為75μm的電鍍磨頭超聲輔助磨削后，工件表面存在破碎和凹坑現(xiàn)象，磨痕變細(xì)，溝槽變淺；粒徑為75μm的釬焊磨頭超聲輔助磨削后，工件表面平整均勻，破碎量少。

(a)法向磨削力

(a)粒徑150μm電鍍磨頭磨削

分析得出，在相同的磨粒粒徑和磨削用量條件下，相對(duì)于電鍍金剛石磨頭，釬焊金剛石磨頭獲得的工件表面破碎現(xiàn)象大大減少，磨削紋理和缺陷有明顯改善。在相同的磨頭制備工藝和磨削用量條件下，相對(duì)于粒徑為150μm的金剛石磨頭，75μm粒徑的金剛石磨頭獲得的工件表面破碎現(xiàn)象減少，磨痕變細(xì)，表面更加平整，表面形貌得到改善。

3.3 磨削表面粗糙度

圖6為不同磨頭超聲輔助磨削后工件表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速增大的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，四種磨頭超聲輔助磨削的表面粗糙度值均呈下降趨勢(shì)。在相同的磨粒粒徑和磨削用量條件下，釬焊金剛石磨頭獲得的表面粗糙度值低于電鍍金剛石磨頭獲得的表面粗糙度值；在相同的磨頭制備工藝和磨削用量條件下，粒徑為75μm的金剛石磨頭獲得的表面粗糙度值低于粒徑為150μm的金剛石磨頭獲得的表面粗糙度值。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=7000r/min，進(jìn)給速度vw=200mm/min，磨削深度ap=5μm時(shí)，粒徑150μm電鍍磨頭、粒徑150μm釬焊磨頭、粒徑75μm電鍍磨頭和粒徑75μm釬焊磨頭超聲輔助磨削的表面粗糙度Ra分別為1.217μm，0.917μm，0.833μm，0.767μm。

圖6 不同磨頭超聲輔助磨削表面粗糙度值對(duì)比

3.4 分析討論

試驗(yàn)中不同金剛石磨頭表面磨粒的出露高度測(cè)量數(shù)據(jù)表明，電鍍金剛石磨頭表面的磨粒存在出露高度較低和高度差較大的問(wèn)題。磨粒不能有效和充分地參與磨削，導(dǎo)致超聲輔助磨削過(guò)程中產(chǎn)生較大的磨削力，磨削表面易產(chǎn)生材料破碎和溝槽現(xiàn)象，因而獲得的表面質(zhì)量較差。而釬焊金剛石磨頭表面磨粒的出露高度較高，高度的一致性較好，與相同粒徑的電鍍金剛石磨頭相比，磨粒與加工表面的接觸面積增大，超聲振動(dòng)條件下磨粒更能有效充分的參與磨削，因而可以有效降低磨削力，獲得更好的表面質(zhì)量，出露高度更有利于超聲振動(dòng)作用的發(fā)揮。

對(duì)于相同工藝制備的磨頭，與粒徑為150μm的金剛石磨頭相比，由于金剛石磨粒的密度高，切削刃多，超聲振動(dòng)條件下磨粒的磨削軌跡更加密集，粒徑為75μm的金剛石磨頭易獲得平整的表面，表面質(zhì)量較好。但由于相鄰磨粒間隔較小，容屑空間小，磨削過(guò)程中磨屑容易在磨頭表面堆積，一定程度上增大了材料去除的難度，導(dǎo)致磨削力增大，對(duì)超聲振動(dòng)作用也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在相同的磨粒粒徑和磨削用量條件下，相對(duì)于電鍍金剛石磨頭，釬焊金剛石磨頭超聲輔助磨削可以得到較低的磨削力和表面粗糙度值，磨削表面破碎現(xiàn)象和紋理改善顯著。

(2)電鍍金剛石磨頭表面的磨粒存在出露高度較低和高度差較大的問(wèn)題；而釬焊金剛石磨頭表面磨粒的出露高度較高，高度的一致性較好，更有利于超聲振動(dòng)作用。

(3)在相同的磨頭制備工藝和磨削用量條件下，相對(duì)于粒徑為150μm的金剛石磨頭，粒徑為75μm的金剛石磨頭超聲輔助磨削可以獲得較好的表面形貌和較低的表面粗糙度，但其磨削力有所增大。